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TRANSFORMADOR DE POTENCIA
Un transformador de potencia es aquel que tiene la capacidad de manejar
grandes magnitudes de voltio amperio VA, los cuales se expresan en KVA
(kilo voltio amperios), o en MVA (mega voltio amperio).Usualmente se
considera un transformador de potencia cuando su capacidad es de un
valor a partir de: 500 KVA, 750 KVA, 1000 KVA, 1250 KVA o 1.25 MVA,
hasta potencias del orden de 500 MVA monofásicos y de 650 MVA
trifásicos, 900 MVA. Estos últimos operan en niveles de voltaje de 500 KV,
525KV y superiores.
Generalmente estos transformadores están instalados en subestaciones
para la distribución de la energía eléctrica, permitiendo aumentar o disminuir
la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la
potencia, siendo un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de
un cierto nivel de tensión, y en energía alterna de otro nivel de tensión,
basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética y Está
constituido por dos boninas de material conductor, devanadas sobre un
núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre si
eléctricamente.
Algunos transformadores de potencia, realizan una función dedicada o
cautiva, cuando alimentan un solo equipo exclusivamente. Por ejemplo en
una industria, un transformador toma energía a nivel de 34.500 Voltios (34,5
KV) y la transforma a 4.160 Voltios (4.16 KV), para alimentar un motor
especial de 5.000 caballos (HP).
TIPOS DE TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS
Hay muchos tipos de transformadores pero todos están basados en los
mismos principios básicos, Pueden clasificarse en dos grandes grupos de
tipos básicos: transformadores de potencia y de medida.
I.1. TRANSFORMADORES ELCTRICO DE POTENCIA
Los transformadores eléctricos de potencia son utilizados para hacer variar
los valores de tensión de un circuito de corriente alterna, manteniendo su
potencia basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética.
Transformadores eléctricos elevadores
Los transformadores eléctricos elevadores tienen la capacidad de
aumentar el voltaje de salida en relación al voltaje de entrada. En estos
transformadores el número de espiras del devanado secundario es
mayor al del devanado primario.
Modelización de un transformador elevador
Transformadores eléctricos reductores
Los transformadores eléctricos reductores tienen la capacidad de
disminuir el voltaje de salida en relación al voltaje de entrada. En estos
transformadores el número de espiras del devanado primario es mayor
al secundario.
Modelización de un transformador reductor
Transformadores de potencia con derivación
Son transformadores de elevación o reducción, es decir, elevadores o
reductores, con un número de espiras que puede variarse según la
necesidad. Este número de espiras se puede modificar siempre y
cuando el transformador no esté en marcha. Normalmente la diferencia
entre valores es del 2,5% y sirve para poder ajustar el transformador a
su puesto de trabajo.
I.2. TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS DE MEDIDA
Sirven para variar los valores de grandes tensiones o intensidades para
poderlas medir sin peligro.
Transformadores eléctricos de intensidad
El transformador de intensidad toma una muestra de la corriente de la
línea a través del devanado primario y lo reduce hasta un nivel seguro
para medirlo. Su devanado secundario está enrollado alrededor de un
anillo de material ferromagnético y su primario está formado por un único
conductor, que pasa por dentro del anillo.
El anillo recoge una pequeña muestra del flujo magnético de la línea
primaria, que induce una tensión y hace circular una corriente por la
bobina secundaria.
Transformador eléctrico potencial
Se trata de una máquina con un devanado primario de alta tensión y uno
secundario de baja tensión. Su única misión es facilitar una muestra del
primero que pueda ser medida por los diferentes aparatos.
I.3. TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS
En el mundo existen muchos tipos de transformadores, entre los cuales el
transformador trifásico tiene una importancia indudable. Este tipo de
transformador consta de tres fases equilibradas que tienen igual magnitud.
Hay dos maneras de construirlos: una es mediante tres transformadores
monofásicos y la otra con tres bobinas sobre un núcleo común.
Esta última opción es mejor debido a que es más pequeño, más ligero, más
económico y ligeramente más eficiente.
La conexión de este transformador puede ser:
Estrella-estrella
Estrella-triángulo
Triángulo-estrella
Triángulo-triángulo
Posibles conexiones de un transformador trifásico con la fuente de alimentación
I.4. TRANSFORMADOR IDEAL Y TRANSFORMADOR REAL
En un transformador ideal, la potencia que tenemos en la entrada es igual a
la potencia que tenemos en la salida.
Pero en la realidad, en los transformadores reales existen pequeñas
pérdidas que se manifiestan en forma de calor. Estas pérdidas las causan
los materiales que componen un transformador eléctrico.
En los conductores de los devanados existe una resistencia al paso del
corriente que tiene relación con la resistividad del material del cual están
compuestos. Además, existen efectos por dispersión de flujo magnético en
los devanados.
Pérdidas en los transformadores reales
Las diferentes pérdidas que tiene un transformador real son:
Pérdidas en el cobre: Debidas a la resistencia propia del cobre al paso
de la corriente
Pérdidas por corrientes parásitas: Son producidas por la resistencia que
presenta el núcleo ferro magnético al ser atravesado por el flujo
magnético.
Pérdidas por histéresis: Son provocadas por la diferencia en el recorrido
de las líneas de campo magnético cuando circulan en diferente sentido
cada medio ciclo.
Pérdidas a causa de los flujos de dispersión en el primario y en el
secundario: Estos flujos provocan una auto inductancia en las bobinas
primarias y secundarias.
I.5. Partes de un transformador:
Las partes de las que se compone un transformador que son necesarias,
las esenciales y más importantes son las siguientes:
1- Núcleo magnético o armazón
2- Enrollamiento o devanados (primario, secundario, terciario, etc.)
3- Boquillas terminales
4- Tanque o cubierta
5- Medio refrigerante
6- Serpentines y aparatos de refrigeración
7- Indicadores
8- Conmutadores y auxiliares
9- Herrajes
1. Núcleo magnético o armazón
Sustancialmente se puede decir que un transformador está constituido
por un núcleo de material magnético que forma un circuito cerrado, y
sobre de cuyas columnas o piernas se localizan los devanados. Existen
diversos tipos de núcleo, como el núcleo tipo anillo y el tipo acorazado.
Estas están construidas por chapas que son generalmente de acero al
silicio en proporciones de 2 a 4 %, y el espesor de las láminas varía
dependiendo de la frecuencia o capacidad del trasformador.
Ejemplo: (núcleo tipo anillo – núcleo tipo acorazado)
En los transformadores de gran potencia suele ser necesario formar
conductos de refrigeración en la masa del núcleo, para aumentar la
superficie de disipación del calor se colocan entonces separadores
aislantes, de espesor conveniente para la circulación del aceite.
2. Enrollamiento o devanados
El devanado o bobinados consiste en un hilo de cobre normalmente que es
enrollado en los núcleos, siendo aislados mayormente por un barniz, y se
pueden presentar en devanados primarios, segundarios, e incluso terciarios.
Hay dos formas típicas de bobinados para transformadores los cilíndricos y
planos. Los núcleos, con su forma, son los que determinan la elección de
uno u otro tipo, salvo que se requieran propiedades especiales, como ser
baja capacidad distribuida, para uso en telecomunicaciones u otros.
a. Bobinado cilíndrico: este tipo se usa cuando el núcleo del
transformador es del tipo anillo o núcleo.
b. Bobinado plano: este tipo se usa cuando el núcleo del
transformador es del tipo acorazado.
Los dos bobinados primario y secundario, rara vez se apartan en dos
simples grupos de espiras, encimándolas; generalmente se apartan en
dos partes o más envueltas uno encima del otro, con el embobinado de
baja tensión en la parte interna. Dicha conformación sirve para los
siguientes propósitos.
a. Simplifica el problema de aislar el embobinado de alto voltaje del
núcleo.
b. Causa mucho menos filtración de flujo, como sería el caso si los 2
embobinados estuvieran separados por alguna distancia del núcleo.
c. Mejora la refrigeración.
Ejemplo de devanados:
3. Boquillas terminales
Las boquillas se emplean para pasar de un conductor de alta tensión
atreves de una superficie aterrizada, como son el caso del tanque de un
transformador o de un reactor. Las boquillas deben ser capaces de
transportar las corrientes de los equipos en régimen nominal y de
sobrecarga, de mantener el aislamiento tanto para tensión nominal como
para sobretensiones y de resistir también esfuerzos mecánicos.
Las boquillas de acuerdo a las funciones desempeñadas se pueden
clasificar en:
Boquillas de terminales de línea
Boquillas de terminales en neutro
Boquillas de terciario
Tipos de boquillas:
4. Tanque o cubierta
De acuerdo a su diseño hay tanques lisos, con aletas, con ondulaciones
y con radiadores, dependen del tipo de aceite y medio de refrigeración
para su selección. En general, consiste en una caja rectangular dividida
en dos compartimientos.
1.-Un compartimiento que contiene el conjunto convencional de núcleo-
bobinas.
2.-Un segundo compartimiento para terminaciones y conexiones de los
cables. Los conductores de cable primario están conectados por medio
de conectores de enchufe para la conexión y desconexión de la carga.
Los conductores del secundario van, por lo general, atornillados a
terminales de buje.
3.-Tienen fusibles de varias clases que van en un porta fusibles
colocado en un pozo que está al lado del tanque, de manera que pueda
secarse del mismo. Para eliminar sobrepresiones internas, el tanque
deberá estar equipado con una válvula de alivio de presión. El tanque ha
de estar bien sellado, de manera que pueda soportar las presión es
estática y dinámica debida a fallas.
Tipos de tanques:
5. Medio refrigerante
Durante su operación el transformador genera pérdidas en forma de
calor, pérdidas de Joule. Por esto, es necesario un sistema de
refrigeración que mantenga al transformador dentro de unos niveles de
temperatura aceptables, ya que en el caso de que se den sobre
temperaturas en los aislamientos estos verán reducido su tiempo de vida
útil de manera considerable.
Para la distinción de los tipos de refrigeración la normativa clasifica estos
sistemas con un acrónimo de cuatro letras:
1.- Primera letra: Designa el fluido refrigerante primario, que está en
contacto con las partes activas del transformador.
- Aire (Air): A
- Aceite (Oil): O
- Agua (Water): W
2.- Segunda letra: Designa el método de circulación del fluido primario.
- Natural: N
- Forzada: F
- Dirigida: D
3.- Tercera letra: Designa el fluido refrigerante secundario.
Métodos de enfriamiento en transformadores de potencia:
6. Serpentines y aparatos de refrigeración
Los transformadores en aceite poseen diferentes métodos de ventilación
con el objeto de mantener sus temperaturas de operación dentro de
valores normales (no excediendo los 55 o65°C sobre la temperatura
ambiente). Para el efecto, en cada método utiliza accesorios como
radiadores, ventiladores, intercambiadores de calor, bombas de
circulación, etc. los cuales se encuentran instalados generalmente en el
tanque del transformador y son usados de forma individual o en
conjunto. Algunos de los métodos de ventilación usados en
transformadores son:
Refrigeración natural
Refrigeración por aire forzado
Refrigeración por aceite forzado
Refrigeración por agua
Combinación de los anteriores.
La eliminación del calor, es necesario para evitar una temperatura interna
excesiva que podría acortar la vida del aislamiento, provocado por las pérdidas
generadas en los devanados, pero también estas pérdidas dependen del
diseño, la construcción, el tipo de transformador, sus características de voltaje,
corriente y potencia, empleando así los distintos tipos de enfriamiento y
diferentes equipos para poder disipar y eliminar el calor generado.
7. Indicadores
La función del indicador magnético por ejemplo de nivel de aceite es la
de indicar y controlar el nivel del líquido aislante dentro del tanque de
expansión del transformador. Se lo instala en la pared desmontable del
tanque de expansión y está constituido por una caja circular a magnética
cubierta por un frente de vidrio a través del cual se observa un cuadrante
graduado y un índice que señala el nivel correspondiente al líquido
aislante. La caja posee dos sectores: una anterior hermética al aceite y a
la humedad y otro posterior que se introduce en el tanque y en el cual
está montado un imán permanente el cual se encuentra vinculado
mediante un eje y una varilla a un flotante.
Indicador de aceite refrigerante:
8. Conmutadores y auxiliares
Se emplea para compensar las variaciones de tensión en la red, de
manera que aun cuando la tensión primaria no sea la nominal se pueda
ajustar la diferencia dentro de un rango de ±5% para que la tensión
secundaria sea la requerida. El conmutador solamente se puede
accionar estando desconectado el transformador. En grandes
transformadores, se emplean interruptores escalonados, que conectan o
desconectan espiras adicionales. Dichas espiras están montadas
separadamente, constituyendo una bobina de maniobra y se puede
conectar y desconectar también en carga y bajo tensión.
Cambiador de derivaciones (conmutador):
9. Herrajes
Los transformadores tienen partes que cumplen con funciones
puramente mecánicas de sujeción de las laminaciones y estructuras,
estas partes o elementos se conocen como “herrajes” o armadura y se
complementan con componentes como Fibra de vidrio o madera para
protección de la sujeción de los yugos.
CARACTERÍSTICAS FÍSICAS Y CONSTRUCTIVAS DE UN
TRANSFORMADOR DE POTENCIA (PARTES)
Son los destinados a transmitir potencias eléctricas entre dos circuitos
normalmente se alimentan a tensión y frecuencias constantes.
Su principal función es elevar o reducir la tensión y corriente entre dos
circuitos.
Los transformadores de potencia operan en potencias normalizadas de
125 hasta 20 MVA es decir a potencias superiores de 1 MVA
Son destinados principalmente para sistemas de distribución
TRIFASICOS
Pasa-tapas de entrada: conectan el bobinado primario del transformador
con la red eléctrica de entrada a la estación o subestación
transformadora.
Pasa-tapas de salida: conectan el bobinado secundario del
transformador con la red eléctrica de salida a la estación o subestación
transformadora.
Los pasa tapas tanto de entrada y salida presentan esa forma debido a
que el agua es un medio conductor y de esta manera se evita que se
produzca un chorro continuo y se deslice por medio de gotas
interrumpidas en cada eslabón del mismo.
Si en tal caso no presentaran esa forma la cuba del transformador o
parte externa correría el riesgo de energizarse y poner en riesgo el
funcionamiento del transformador
.
Cuba: es un depósito que contiene el líquido refrigerante (aceite), y en el
cual se sumergen los bobinados y el núcleo metálico del transformador.
Las dimensiones y características de la cuba están regidas por la
reglamentación de electricidad para transformadores tipo intemperie.
Depósito de expansión: sirve de cámara de expansión del aceite, ante
las variaciones se volumen que sufre ésta debido a la temperatura.
Además evita una eventual falla en el transformador por presión
excesiva divido al aumento del volumen del aceite por la concentración
interna de temperatura, abriendo un espacio adicional. Permitiendo
controlar de esta manera el volumen del aceite en la cuba.
Este se encuentra ubicado en la parte superior porque el aumento de
volumen se da hacia arriba y al momento de disminuir la presión este
regresa a la cuba de manera controlada.
Indicador del nivel de aceite: permite observar desde el exterior el
nivel de aceite del transformador evitando de esta manera
complicaciones en el funcionamiento, permitiendo llevar un control
puntual del nivel de aceite.
Relé Bucholz: este relé de protección reacciona cuando ocurre una
anomalía interna en el transformador, mandándole una señal de
apertura a los dispositivos de protección.
Desecador: su misión es secar el aire que entra en el transformador
como consecuencia de la disminución del nivel de aceite. Evitando de
esta manera el ingreso de partículas de agua en el aceite que puedan
generar fallas internas y deterioro del aceite afectando la capacidad del
mismo, la rigidez eléctrica que es la capacidad que tiene el aceite para
soportar descargas eléctricas prolongadas sin permitir una circulación de
la corriente atreves de él.
Termostato: mide la temperatura interna del transformador y emite
alarmas en caso de que esta no sea la normal.
Este dispositivo está conformado por un termo cúpula la cual detecta la
presencia de temperatura y por medio de dos hilos de distinto material,
ejemplo: cobre y aleación de hierro y níquel la cual por acción del
movimiento de electrones ocasionado por la temperatura envía una
señal eléctrica muy pequeña la cual activa la alarma y alerta sobre una
posible falla en el transformador.
Regulador de tensión: permite adaptar la tensión del transformador
para adaptarla a las necesidades del consumo. Esta acción solo es
posible si el bobinado secundario está preparado para ello.
Placa de características: en ella se recogen las características más
importantes del transformador, para que se pueda disponer de ellas en
caso de que fuera necesaria conocerlas.
Grifo de llenado: permite introducir líquido refrigerante en la cuba del
transformador.
Radiadores de refrigeración: su misión es disipar el calor que se
pueda producir en las carcasas del transformador y evitar así que el
aceite se caliente en exceso.
Su función principal es disipar el calor por medio de la circulación del
mismo hacia el exterior.
Relé de flujo: es un dispositivo de protección que evita que el flujo de
aceite del tanque de expansión hacia la cuba sea alto.
Este dispositivo solo aplica para tanques de expansión de 500 litros
Válvula de sobrepresión: dispositivo liberador de presión que permite
controlar la presión generada por el aumento del volumen del aceite
permitiendo controlar la presión y brindar un alivio al transformador con
el fin de evitar daños en el mismo o un daño total.
Cambiador de tomas: permite controlar y mantener estable el voltaje de
salida del secundario en el transformador.
Para efectos de aumento y disminución del consumo de corriente en
transformadores de potencia esta se hace de manera automática.
Un cambiador de tomas en carga O regulador es la única parte con
movimiento en un transformador. Su función es realizar la operación
de cambio de una toma del arrollamiento de regulación a otra,
permitiendo regular la tensión de salida del transformador a los
niveles requeridos sin la interrupción de la corriente de carga
Relé diferencial de porcentaje: permite controlar la relación de
transformación comprobando la corriente y voltaje de entrada en el
primario y de salida en el secundario, permitiendo detectar fallas en el
transformador.
Para que en un transformador se encuentre en perfectas condiciones de
funcionamiento el margen de error mínimo y máximo que debe
presentarse debe ser del 0%.
II. Mantenimiento de transformadores, problemas y consecuencias.
Los transformadores requieren un mantenimiento preventivo.
Porque las causas de fallas de un transformador provienen por falta de
mantenimiento ya que este equipo es muy importante dentro de las
funciones que tiene el uso constante sin un mantenimiento adecuado,
produciendo que el aceite pierda sus cualidades y esto provoque fallas
posteriores
algunas causas son las siguientes:
a.- humedad
b.- fugas
c.- carga de voltaje excesiva
d.- una mala protección eléctrica
e.- una mala instalación
f.- un mal manejo y desconocimiento del equipo
Recomendaciones:
a.- hacer periódicamente análisis físicos químicos del aceite del trasformador
para que en base a los resultados de la prueba de análisis se determine si está
en condiciones de operación o requiera un cambio total del mismo.
b.- verificación física de las partes exteriores del transformado para evitar que
tengan fugas en las juntas, empaques, válvulas y acoplamiento de secciones
c.- actualización de cargas para verificar que el trasformador este dentro del
rango de cargas a alimentar, para evitar posibles accesos y calentamientos y
una posible falla de explosión que sería muy riesgosa trasformador en mal
estado
http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/conceptos-
basicos/funcionamiento-de-los-transformadores#Preguntas
http://es.scribd.com/doc/98705484/partes-del-transformador
https://www.omicron.at/es/products/power-transformer/
